机器人足球比赛是广大青少年和辅导教师非常热衷的科技活动项目，它集合了对抗、创新、趣味性、团队协作等特点。中央电化教育馆、中国科协、各级教育部门以及政府部门都组织过很多这样的竞技活动。从世界范围来看，机器人足球世界杯也是学生参与面最广的活动之一。全球每年都有几百万名学生参与其中。它通过电脑程序自动控制机器人的各种传感器，完成踢球、守球门的过程，与人踢足球的过程非常相似。

　　机器人足球比赛所需的相关设施比较简单，主要包括专用机器人足球场地、发射普通光或者红外线的足球、足球机器人（开放式的教育机器人平台）、编写足球程序的电脑软件。当我们把设计好的程序下载到足球机器人的控制芯片中，机器人就会按照设计好的程序执行各种动作。如果要让足球机器人在比赛中分出胜负，就需要改装机器人的硬件结构，并设计高效率的算法程序，使足球机器人能够高效率地跟踪发光足球，并进行踢球、射门和对抗。

　　中小学机器人足球比赛往往采用的是二对二对抗模式，可以让两台机器人同时作为进攻机器人，也可以让一台作为进攻机器人，另外一台作为守门机器人。在设计程序与制作足球机器人前期，往往设计者一头雾水，怎样让机器人变得“聪明”起来呢？如何让足球机器人有效地进攻对方，从而保护自己？如何守好自己的球门，防止乌龙球？如何解决两难问题？笔者根据自身的教学探索与实践，谈谈自己的见解。

　　一、两强相争智者胜

　　机器人足球比赛是一项对抗性的运动。怎样让足球机器人控制到发光的足球并控制足球的运动轨迹，是设计优秀足球机器人前锋的第一步。只有控制住足球，才能主动进攻甚至保护自己。完美的进攻机器人应该具备两个重要因素：一是运动速度快，二是能快速地发现光源并控制足球的运动轨迹。

　　足球机器人通常采用轮子的运转实现进退与转弯。因此，电机的驱动电路是我们可以研究的方面。通常情况下，机器人的电机驱动电路采用脉宽调制的方式，电机的速度随着控制芯片驱动电压的升高而加快。但是驱动电压高到一定的程度，就会损伤驱动电路甚至烧坏驱动芯片。因此，这是两难选择，而选择合适的电压同时保证驱动电路的稳定就变得非常重要。另外，我们也可以自己制作高电压、大电流的电机驱动电路。这是因为，在电压一定的情况下，采用大电流电路也能达到同样的效果。

　　足球机器人通常采用火焰传感器或复眼传感器搜索足球的光源。火焰传感器价格非常便宜。采用并联的方式在机器人的上、下、左、右方安装火焰传感器，可以提高机器人对光源的敏感度，同时可以减少它的内在电阻，在没有光源时，不会起作用。复眼传感器就是基于火焰传感器并联的原理构造的，它还能判断光源的角度、位置，从而让机器人产生动作。机器人的运动轨迹还可以用程序的算法控制得更为精确。通常机器人用控制火焰传感器或者复眼传感器的左右偏差来追逐足球光源。因此，偏差值的大小设定会影响机器人的运动角度。角度越小，运动的精度越高，从而减少误差。

　　控制足球还需要好的足球控制装置，可以采用前后两个方向或者四个方向设计“凹形槽”来实现。

　　二、完美的进攻需要完美的防守

　　足球机器人在设计之初是非常“愚笨”的。它不能用人的思维来判断球门的位置，至于球门是对方的还是自己的更加无从知晓。因此，给机器人加上指南针传感器就显得非常重要了。指南针传感器能够设定机器人的起始角度，并且能返回运行过程中机器人的角度。根据参考值，我们就可以在程序中很好地控制机器人进攻和防守的方向，让机器人“聪明”起来。

　　机器人足球场地的四个角落通常称为死角。在这个角落如果发生机器人互相拼抢，会导致“死球”的发生。因此，在该角落“甩球”的动作很重要。通过指南针传感器、地面灰度传感器以及检测障碍物的配合，机器人就可以实现“甩球”的动作。“甩球”的方向当然是朝接近对方球门的方向，才能达到有效进攻的目的。

　　当然，如果指南针传感器检测到进攻自己的方向，在足球程序中就可以采取一些保护措施，如让自己的机器人停止朝自己球门进攻，360度迂回到足球后面再朝对方前进，或者把足球控制在场地死角位置，让守门机器人一起来控制，或往对方球门的方向“甩球”，达到有效保护的目的。

　　三、设计高效的守门机器人

　　从比赛的经验来看，需要设计一个专门负责守球门机器人。设计两个同时进攻的机器人往往会给自己球门带来进乌龙球的风险。守门机器人的设计应该要达到以下几个条件。

　　1.离球门保持一定距离，万一进入了球门能自动走出球门。这是竞赛的规则决定的。守门机器人在自己方的球门里不能超过5秒，否则犯规。

　　2.因为设计的误差，守门机器人在几次防守后可能跑到了离球门很远的位置。要能自动返回离自己球门不远的位置，必须有自动调整功能。

　　3.守门机器人在不防守的时候能返回到球门外中间位置，这样，等下次需要防守时，不管足球从哪个方向来，都可以提供很好的保护。

　　4.设计“凹形槽”控制捕捉足球，达到有效防守。

　　从以上条件来看，守门机器人在足球场地的位置和自我调整很重要。单一的传感器是很难解决这样的问题的。如果把指南针传感器、测距传感器（或者超声波传感器、红外传感器）、地面灰度传感器结合起来使用，再加上程序控制就能很好地解决这些问题。指南针传感器使守门机器人保持在和球门平行的位置或者近似平行的位置。地面灰度传感器使守门机器人保持在球门附近30～40厘米的范围之内。如果超过范围，就让守门机器人倾斜地往左、往右走几次。通过这样的调整，机器人就能回到指定的范围内。在守门机器人的左、右以及后面装3个测距传感器，可以测定机器人在3个方向的位置。

　　在程序设计中，用探测到的足球光源值控制守门机器人轮子的速度，会使机器人变得非常“聪明”。把探测光源的传感器分成左右两个部分，足球光源离守门机器人比较远的时候，左右光源传感器的偏差值很小。哪个方向光源值偏小，机器人就朝哪个方向移动。如果偏差值非常大，就表示足球离守门机器人很近，需要快速捕捉。把光源左右偏差值用程序参数的方式赋值给轮子的速度参数，守门机器人就会变得非常智能。

　　四、实现高效的算法

　　足球机器人程序的算法是让机器人高效率、高智能执行任务的保障。好的程序没有重复的语言和动作。功能相同的情况下，语言越精练，运算的速度就越快。在设计程序时，要按“先硬件、后软件”的原则，能用硬件实现的尽可能用硬件实现，这样获得的参数将更加直接。光源传感器获得的参数与机器人运转速度参数有线性关系，可以互相调用、互相配合。

　　五、调整选手的参赛心态

　　选手在比赛过程中的心理状态也是不容忽视的因素。优秀的选手思路清楚，能够很好地控制比赛节奏，尽可能地让进攻机器人把足球控制在对方场地的三分之二范围内，不停地做出追逐和“甩球”动作。选手心态要比较平和，胜利时不骄傲，失败时不气馁。每场比赛都要总结经验、反思不足。要多观看其他队伍的比赛，特别要认真观摩将要与自己对阵的选手的比赛。“知己知彼，百战不殆。”任何一个细节出错，都可能导致自己的队伍满盘皆输。

　　机器人足球比赛是教师和学生自主探究、合作学习、快乐教育的重要平台，是培养创新型人才的新模式。这是因为，机器人足球比赛活动本身就是克服一个个困难、解决一个个难题的过程，这一过程让辅导教师和学生都非常享受。

　　(作者单位：广东佛山市南海区石门实验中学)

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